Pourquoi le suivi de l'élévation du niveau de la mer compte-t-il?

L'élévation du niveau de la mer est l'un des indicateurs les plus importants du réchauffement climatique : à mesure que la température moyenne mondiale augmente, les eaux de mer s'étendent et la glace terrestre fond, ce qui entraîne une augmentation du niveau de la mer à un rythme accéléré, ce qui menace les communautés côtières, les infrastructures, les écosystèmes et les économies du monde entier.

Au cours des trois dernières décennies, le taux d'augmentation du niveau moyen mondial de la mer a plus que doublé, passant d'environ 1,4 millimètre par an au début des années 1990 à environ 3,6 millimètre par an dans les années 2010 et au-delà. Cette accélération souligne l'urgence de maintenir et d'améliorer les systèmes d'observation.

Plus de 600 millions de personnes vivent dans des zones côtières basses et des milliards de dollars d'infrastructures se trouvent à moins de mètres du niveau actuel de la mer. Même une légère augmentation du niveau de la mer peut amplifier considérablement les impacts des ondes de tempête, des marées hautes et de l'érosion côtière.

La science derrière l'élévation du niveau de la mer

L'élévation du niveau de la mer n'est pas un processus uniforme, mais résulte de plusieurs mécanismes physiques qui fonctionnent à l'échelle mondiale, régionale et locale.

Expansion thermique

Les molécules d'eau s'étendent à mesure que les océans absorbent l'excès de chaleur piégé par les gaz à effet de serre. Ce processus, connu sous le nom d'expansion thermique, représente environ 40 à 50 pour cent de l'élévation moyenne du niveau de la mer mondiale observée. Les couches supérieures de l'océan se sont considérablement réchauffées depuis le milieu du XXe siècle, et le réchauffement des océans profonds contribue également.

Moulage des glaces et des glaciers

La perte de glace du Groenland et de l'Antarctique est maintenant le principal facteur de l'élévation du niveau de la mer mondiale, et sa contribution s'accélère. La calotte glaciaire du Groenland perd de sa masse principalement par la fonte de surface et le ruissellement, tandis que la perte de glace de l'Antarctique résulte principalement de l'amincissement et du retrait des glaciers marins.

Stockage de l'eau terrestre

L'extraction des eaux souterraines, la mise en réserve des réservoirs et le drainage des zones humides peuvent soit ajouter à la masse des océans, soit soustraire à cette masse. Par exemple, le pompage excessif des eaux souterraines pour l'agriculture transfère l'eau des aquifères souterrains vers l'océan, contribuant ainsi à l'élévation du niveau de la mer.

Technologies pour observer l'élévation du niveau de la mer

Le réseau moderne d'observation du niveau de la mer repose sur une série de technologies complémentaires, chacune ayant des forces et des limites distinctes. Aucun système ne fournit une image complète; les évaluations les plus robustes intègrent des données provenant de sources multiples.

Altimétrie par satellite

L'altimétrie des satellites a révolutionné la surveillance du niveau de la mer lorsque la mission TOPEX/Poseidon a été lancée en 1992. Ces satellites utilisent des impulsions radar pour mesurer la distance entre le satellite et la surface de l'océan avec une précision extraordinaire. En combinant cette mesure avec un suivi précis de l'orbite, les scientifiques peuvent calculer la hauteur de la surface de la mer par rapport au centre de la Terre.

Les missions successives, notamment Jason-1, Jason-2, Jason-3 et, plus récemment, Sentinel-6 Michael Freilich, ont prolongé ce record pendant plus de trois décennies. Les données montrent une accélération indéniable de l'élévation moyenne du niveau de la mer à l'échelle mondiale. Les altimètres modernes atteignent une précision d'environ 2 à 3 centimètres pour les mesures individuelles et peuvent résoudre les variations de la hauteur de surface de la mer à des échelles de dizaines de kilomètres.

L'altimétrie par satellite n'est pas sans limites. La technologie exige une étalonnage soigneux des marégraphes et d'autres systèmes de référence pour corriger la dérive des instruments, les erreurs orbitales et les retards atmosphériques.L'altimétrie côtière demeure difficile en raison de la contamination terrestre de l'empreinte radar, bien que les algorithmes de traitement avancés améliorent constamment la couverture près du rivage.

Courroies à cran

Les jauges à marée mesurent le niveau de la mer par rapport à un repère local depuis plus de 200 ans, ce qui en fait la source la plus longue de données sur le niveau de la mer.Ces instruments enregistrent la hauteur de la surface de l'eau à des endroits côtiers fixes, utilisant généralement des capteurs acoustiques, de pression ou radar.

Le système mondial d'observation du niveau de la mer (GLOSS) coordonne un réseau d'environ 300 stations marégraphiques dans le monde, bien que la densité varie considérablement selon les régions. Les pays développés ont tendance à avoir des réseaux denses et bien entretenus, tandis que de nombreux pays en développement et États insulaires éloignés ont une couverture clairsemée ou aucune donnée. Les jauges à marée souffrent également d'une limitation fondamentale : elles mesurent le niveau de la mer par rapport à la terre, et non par rapport au centre de la Terre.

Pour corriger les mouvements terrestres, les scientifiques équipent les marégraphes avec des récepteurs du Système mondial de navigation par satellite (GNSS) qui suivent la position verticale de la référence. Cette technique, connue sous le nom d'analyse des marégraphes corrigées par GNSS, permet aux chercheurs de séparer le signal océanographique du bruit géologique.

Capteurs océaniques autonomes

Le programme Argo, qui déploie des milliers de flotteurs de profilage à travers l'océan mondial, mesure la température et la salinité de la surface à 2000 mètres de profondeur. Ces données permettent aux scientifiques de calculer l'expansion thermique et sa contribution à l'élévation du niveau de la mer. Bien que les flotteurs Argo ne mesurent pas directement le niveau de la mer, leurs observations sont essentielles pour comprendre les facteurs qui la conduisent.

Plus récemment, des véhicules autonomes de surface et des planeurs sous-marins ont commencé à transporter des récepteurs GPS et des capteurs de pression qui peuvent mesurer la hauteur de la surface de la mer à l'échelle locale. Ces plates-formes sont particulièrement utiles dans les régions où les altimétries satellitaires, comme l'Arctique, où la glace de mer empêche les mesures par satellite ou près des côtes, où les empreintes altimétriques contaminent le signal.

Plateformes d'intégration et d'analyse des données

Les observations brutes provenant de satellites, de marégraphes et de capteurs autonomes doivent être traitées, étalonnées et fusionnées en ensembles de données cohérents. Des organisations comme National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)[, NASA Sea Level Change Team et AVISO[ data center fournissent des produits au niveau de la mer accessibles au public qui combinent plusieurs sources de données.

De même, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC)[ s'appuie sur des ensembles de données intégrés pour évaluer l'élévation du niveau de la mer dans ses rapports périodiques. Le défi consiste à maintenir la cohérence à mesure que les anciennes missions prennent leur retraite et que les nouvelles missions prennent le relais, en veillant à ce que le dossier climatique soit homogène et fiable.

Défis de la surveillance de l'élévation du niveau de la mer

Malgré des progrès technologiques remarquables, la surveillance de l'élévation du niveau de la mer avec la précision requise pour les sciences du climat et la planification côtière pose des défis importants.

Motion des terres et données verticales

Le long de nombreuses côtes, les terres sont subventionnées par des processus naturels tels que le compactage des sédiments ou l'ajustement isostatique glaciaire, ainsi que par des activités humaines telles que l'extraction et le drainage des eaux souterraines. Dans certaines régions, comme la côte du Golfe des États-Unis et certaines parties de l'Asie du Sud-Est, les taux de subsidence dépassent 5 millimètres par année, ce qui peut doubler le taux apparent d'élévation du niveau de la mer par rapport à la terre.

Les jauges à marée mesurent l'effet combiné du changement des océans et du mouvement des terres, de sorte que la séparation de ces signaux est essentielle. Les récepteurs GNSS aux stations de jauges de marée sont le principal outil pour cette correction, mais la couverture mondiale des stations GNSS continues près des côtes demeure insuffisante, en particulier en Afrique, en Amérique du Sud et dans les petits États insulaires.

Lacunes dans les données et limites de couverture

L'altimétrie par satellite assure une couverture presque mondiale entre environ 66 degrés de latitude nord et sud, laissant les régions polaires largement non observées. L'Arctique est particulièrement important parce qu'il se réchauffe plus rapidement que toute autre région et qu'il contient de grands stocks de glace terrestre qui peuvent contribuer à l'élévation du niveau de la mer.

Les produits altimétriques standard excluent généralement les mesures à moins de 10 à 20 kilomètres de la côte parce que la contamination terrestre dégrade le signal radar. Les algorithmes de retraçage spécialisés améliorent l'altimétrie côtière, mais les données demeurent plus bruyantes et moins fiables que dans l'océan libre. Les jauges à marée comblent certaines lacunes côtières, mais leur répartition spatiale est inégale et de nombreuses régions côtières ne disposent pas du tout de mesures in situ.

Facteurs environnementaux et techniques

La variabilité de l'environnement peut masquer les tendances à long terme du niveau de la mer. Les tempêtes, les marées, les tourbillons océaniques et les cycles saisonniers produisent de grandes fluctuations à court terme qui doivent être filtrées pour détecter le signal climatique sous-jacent. Par exemple, l'oscillation du sud peut élever ou réduire le niveau moyen de la mer de 5 à 10 millimètres sur des échelles de temps interannuelles, masquant temporairement la tendance séculaire.

Les erreurs d'orbite, les retards atmosphériques et les biais de l'état de la mer doivent être corrigés au moyen de modèles sophistiqués et d'étalonnage au sol. Le transfert de l'étalonnage d'une mission satellite à l'autre est un processus délicat, et toute discontinuité peut introduire un saut ou une tendance fallacieuse dans le dossier.

Étalonnage et cohérence au fil du temps

Pour maintenir un record de niveau de mer constant et multidécadale, il faut effectuer un étalonnage croisé rigoureux entre les missions satellites successives.Le record de 27 ans de 1993 à 2020 repose sur une chaîne de six altimètres satellites, chacun avec ses propres biais et caractéristiques de dérive.Les scientifiques utilisent une combinaison de comparaisons de marégraphes, de manœuvres d'étalonnage internes et de périodes de mission qui se chevauchent pour assurer une transition sans heurt.

Le lancement récent de Sentinel-6 Michael Freilich en 2020 assure la continuité avec Jason-3, mais la planification de la prochaine génération d'altimètres est déjà en cours. À mesure que les missions avancent, le défi consiste à maintenir une compatibilité avec le record historique tout en tirant parti de nouvelles capacités.

Variations régionales en hausse du niveau de la mer

L'élévation du niveau de la mer n'est pas uniforme dans le monde entier. Les taux régionaux peuvent varier par un facteur de deux ou plus en raison de la dynamique des océans, des effets gravitationnels et du mouvement vertical des terres. Dans le Pacifique occidental et l'océan Indien, par exemple, le niveau de la mer a augmenté de trois à quatre fois plus rapidement que la moyenne mondiale au cours des deux dernières décennies.

Les effets gravitationnels et rotationnels jouent également un rôle. À mesure que les nappes glaciaires perdent de leur masse, leur traction gravitationnelle sur l'océan environnant s'affaiblit, ce qui fait tomber le niveau de la mer près de la nappe glaciaire tout en s'élevant dans les régions lointaines.

Les projections régionales du niveau de la mer nécessitent des modèles à haute résolution qui intègrent les courants océaniques, les modèles de vent et les contributions à la fonte des glaces terrestres.Les recherches les plus récentes soulignent que les communautés côtières ont besoin de projections localisées, et pas seulement de moyennes mondiales, pour évaluer les risques d'inondation et concevoir des infrastructures résilientes.

Orientations futures de la surveillance du niveau de la mer

La prochaine décennie promet des progrès importants dans les technologies et les méthodes utilisées pour observer l'élévation du niveau de la mer, qui visent à combler les lacunes existantes en matière de données, à améliorer la précision des mesures et à fournir les informations nécessaires en temps opportun pour la prise de décisions.

Missions satellitaires de prochaine génération

La mission de la topographie des eaux de surface et des océans (SWOT), lancée en décembre 2022, représente un changement de paradigme dans l'altimétrie océanique. À l'aide d'un radar d'ouverture synthétique interférométrique, SWOT mesure la hauteur de la surface de l'eau à une résolution spatiale d'environ un kilomètre, comparativement à la résolution de 10 à 20 kilomètres des altimètres conventionnels.

Les missions futures prévues par l'ESA, la NASA et d'autres agences spatiales amélioreront encore la couverture, en particulier dans les régions polaires, grâce à l'utilisation d'orbiteurs polaires spécialisés et à l'amélioration de l'altimétrie de la glace de mer. Ces missions bénéficieront également des progrès réalisés dans la détermination de l'orbite et la correction atmosphérique, ce qui réduira les incertitudes en matière de mesure.

Élargir les réseaux d'observation in situ

Le réseau mondial de marégraphes est en cours de modernisation et d'expansion, en particulier dans les régions mal desservies. Des initiatives comme le Système mondial d'observation des océans (GOOS) et le Système d'observation et de physique des océans et du climat (OOPC) s'efforcent d'augmenter le nombre de marégraphes équipés de GNSS en Afrique, dans les petits États insulaires en développement et dans l'Arctique.

Le programme Argo est en train de se transformer en un nouveau réseau appelé Deep Argo, qui étendra les mesures au fond de la mer, captant le réchauffement des océans profonds et sa contribution à l'élévation du niveau de la mer. Les flotteurs d'Argo biogéochimiques ajouteront des capteurs pour l'oxygène, le pH et les nutriments, fournissant une image plus complète de la santé de l'océan.

Progrès dans l'assimilation et la modélisation des données

Les techniques d'assimilation des données qui combinent les observations et les modèles numériques sont de plus en plus sophistiquées, et ces systèmes peuvent combler des lacunes où les observations sont rares, tenir compte des erreurs de mesure et produire des champs de niveau de la mer qui sont en maille et qui sont dynamiques.

Les modèles océaniques régionaux sont également améliorés, grâce à de meilleures observations et à une résolution plus élevée.Des projections à basse échelle qui intègrent la topographie locale, la dynamique des marées et les modèles de tempête sont maintenant disponibles pour de nombreux littorals.Ces outils permettent aux gestionnaires côtiers d'évaluer les risques d'inondation à l'échelle des collectivités, plutôt que de s'appuyer sur des moyennes régionales générales.

Conclusion

L'élévation du niveau de la mer est un défi déterminant du XXIe siècle, et la capacité à l'observer avec précision est une pierre angulaire de la planification des sciences et de l'adaptation climatiques. Au cours des trois dernières décennies, l'altimétrie des satellites, les marégraphes et les capteurs autonomes ont fourni un record clair et convaincant d'accélération de l'élévation du niveau de la mer.

La prochaine génération de missions satellitaires, l'expansion des réseaux in situ et les techniques avancées d'assimilation des données promettent de remédier à nombre de ces limitations.En intégrant les observations provenant de multiples plates-formes et en améliorant la résolution spatiale et temporelle des données sur le niveau de la mer, les scientifiques pourront fournir les informations concrètes dont les communautés côtières ont besoin d'urgence.

Le maintien et le renforcement du système mondial d'observation du niveau de la mer exigent une collaboration internationale soutenue, un financement et une expertise technique.Les enjeux ne pourraient pas être plus élevés et les outils sont à portée de main.

Pour plus de détails, le NOAA Ocean Service fournit des résumés accessibles des sciences du niveau de la mer, et le NASA Sea Level Change Portal offre des visualisations interactives des données et les dernières mises à jour de recherche.